CN110999129A - 用于高速通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于高速通信的系统和方法。该系统包括基于激光的通信系统，该系统包括：获取模块，其配置成获取并且表征多个激光束；跟踪模块，其配置成跟踪所获取的激光束，所述跟踪模块包括：信标反馈和光束发散机构，其配置成控制光束并且检测光束；自适应学习单元，其配置成实施自适应学习检测算法以识别和跟踪来自所获取的激光束中的至少一束激光的唯一光学签名；以及瞄准模块，其配置成基于所获取的激光束将至少一束激光瞄准目标。

Description

用于高速通信的系统和方法
技术领域
本申请广泛地但非排他地涉及用于高速通信的系统和方法。
背景技术
当前卫星技术面临的问题包括具有低数据传输速率、拥塞的射频(RadioFrequency，RF)频谱和由于宽光束传播引起的高能量浪费。当前卫星技术的传输频谱通常还限于X波段，即电磁频谱的微波无线电区域中的频率；以及K波段，即微波频率范围中的无线电频谱。X波段和K波段的典型频率范围大约在8和40千兆赫兹(GigaHertz，GHz)之间。这样的范围限制了纳米卫星平均大约1到5兆比特每秒(Megabits per second，Mbits/sec)的数据传输，以及大卫星平均大约200至300兆比特每秒的数据传输。此外，由于RF技术内的核心问题，分配更多的频谱也很昂贵且受高度管制，因为RF对于长期商业空间使用可能不是可持续和可扩展的解决方案。
因此，当前的商业空间产业及其相关产业正在经历缓慢增长。随着硬件组件和软件的技术改进，在近地和深空产业中存在充足的机会，但是这些机会被不能支持这种增长的当前RF基础设施所抑制。
此外，卫星市场2015年的收入超过2000亿美元，其中通信卫星占总收入的42％。在过去几年中，已经有一些主要的变化，这些变化正在改造空间和卫星产业，并且因此驱动空间通信的未来增长。技术最近的进步已经导致了大量新的商业空间应用，但是适应和利用当前进步的步伐是缓慢的。
具体而言，硬件和软件两者的信息技术的进步正在驱动收集和处理极大量数据的能力，其特别是在诸如地球观测的遥感应用中提供新的智能功能。然而，在这些应用中存在瓶颈，因为需要更高带宽的通信信道。地球观测服务的收入在2015年增长了9％，目前继续增长。这已经产生了对高带宽通信信道的主要需求。例如，在诸如高分辨率高光谱地球观测的应用中，需要收集的数据量已经增加了至少一到两个数量级，而通信技术在此期间根本没有以相同的速率扩展，使得将该信息中继回地球非常昂贵，或者在某些情况下是不实际的，这给新应用产生了主要的瓶颈。
此外，近年来系统和组件对实时现场数据连接的更高的依赖性已经推动了在基础设施不可用的地方的移动性连接的需求，诸如近海海上应用、用于航空航天应用的空中以及远程区域中。例如，移动卫星数据收入相较于2013-2014年增长5％，在2014-2015年增长了27％。数十千兆比特每秒的光收发器可以以其最初可购得的价格的几分之一购得，这允许基于非光纤的光子应用在数十年可靠的技术成熟中发挥作用。
在最近几年中，纳米卫星和微卫星技术也有大量的增长。2011-2015年，每年发射的卫星的平均数量比前5年增加了36％。仅2015年一年，发射的202颗卫星中超过50％是纳米卫星。航天工业目前的主要驱动因素之一是通过改进技术和共享运载火箭来降低航天发射的成本。上述因素以及诸如硅光子学、微机电系统MEMS、纳米机电系统NEMS、互补金属氧化物半导体CMOS传感器、纳米卫星技术和发射等先进技术的成熟和组合是驱动成本和性能在速度和价格方面变得与电缆和光纤具有竞争力的因素。每单位吞吐量成本的显著降低，由于成功的高吞吐量卫星体验而增长的需求和客户信心以及对更高带宽的巨大需求是推动高速通信市场增长需求的关键驱动因素。
因此，需要提供解决一个或多个上述问题的当前卫星技术中的用于高速通信的系统和方法。还需要发展当前的卫星通信技术，其可以寻求获取新的市场，诸如电信、航空航天和国防、卫星通信和金融市场中的那些市场。
此外，结合附图和本公开的背景技术，通过随后的详细描述和所附权利要求，其它期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
根据本申请的第一方面，提供了一种基于激光的通信系统，该系统包括：获取模块，其配置成获取并且表征多个激光束；跟踪模块，其配置成跟踪所获取的激光束，该跟踪模块包括：信标反馈和光束发散机构，其配置成控制光束并且检测光束；自适应学习单元，其配置成实施自适应学习检测算法以识别和跟踪来自所获取的激光束中的至少一束激光的唯一光学签名；以及瞄准模块，其配置成基于所获取的激光束将至少一束激光瞄准目标。
在一个实施例中，获取模块可以包括：光纤耦合机构，其用于将所获取的激光束耦合到光纤系统；以及激光束表征单元，其配置成从所获取的激光束中的至少一束激光提取特定信息。
在一个实施例中，跟踪模块包括位置分集单元，该位置分集单元配置成基于以下各项中的至少一项来选择所获取的激光束中的至少一束激光：光束的可靠性、光束的容量、光束的空间特性和/或光束的时间特性。
在一个实施例中，激光束表征单元包括干涉测量和计算系统，其配置成提取特定信息。
在一个实施例中，特定信息包括时间标识符、空间标识符和/或频谱标识符中的至少一个。
在一个实施例中，光纤耦合机构包括锥形光纤耦合器，其配置成增大纤芯的表面尺寸。
在一个实施例中，瞄准模块包括多级光束转向单元，其配置成基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
在一个实施例中，多级光束转向单元配置成改变其一个或多个光学特性，以便基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
在一个实施例中，改变多级光束转向单元的光学特性包括以下步骤中的一个或多个：通过施加电场对光束诱导普克尔斯效应(Pockels effect)；调谐空间光调制器；调谐超材料结构；诱导衍射光栅；以及修正光束的输出角。
在一个实施例中，信标反馈和光束发散机构配置成不以特定顺序执行以下步骤来检测光束：接收连接到节点的命令；检查发射功率是否高于阈值；计算相对于该节点的位置向量；基于该位置向量计算空间不确定性函数；以及相对于空间不确定性调整光束发散。
在一个实施例中，调节光束发散包括覆盖不确定区域，使得θ＞α×σmax，其中θ包括施加的光束发散，α包括衍射受限的光束发散，并且σmax包括不确定因子。
在一个实施例中，选择所获取的激光束中的至少一束激光包括不以特定顺序的以下步骤：识别多个信标信号；将从信标信号接收的信息与信息简档阵列进行比较；从多个信标信号中去除假目标；从多个信标信号中确定并且选择最佳信标信号；以及去除假目标后，将处理后的数据阵列发送给自适应学习检测算法。
在一个实施例中，自适应学习检测算法还配置成去除假目标。
在一个实施例中，自适应学习单元包括自适应神经网络，其配置成在子像素分辨率上提取信标的相对位置。
在一个实施例中，诱导衍射光栅的步骤由声波和/或全息材料中的至少一种所引起。
根据本申请的第二方面，提供了一种基于激光系统的通信方法，该方法包括：通过获取模块获取并且表征多个激光束；通过跟踪模块跟踪获取的激光束；通过信标反馈和束发散机构控制光束并且检测光束；通过自适应学习单元实施自适应学习检测算法，以识别和跟踪来自所获取的激光束中的至少一束激光的唯一光学签名；以及通过瞄准模块基于所获取的激光束将至少一束激光瞄准目标。
在一个实施例中，该方法还可以包括：通过光纤耦合机构将所获取的激光束耦合到光纤系统；以及通过激光束表征单元从所获取的激光束中的至少一束激光提取特定信息。
在一个实施例中，该方法还可以包括通过位置分集单元基于以下各项中的至少一项来选择所获取的激光束中的至少一束激光：光束的可靠性、光束的容量、光束的空间特性和/或光束的时间特性。
在一个实施例中，该方法还可以包括通过干涉测量和计算系统提取特定信息。
在一个实施例中，该方法还可以包括通过锥形光纤耦合器增大纤芯的表面尺寸。
在一个实施例中，该方法还可以包括通过多级光束转向单元基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
在一个实施例中，该方法还包括改变多级光束转向单元的一个或多个光学特性，以便基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
在一个实施例中，改变多级光束转向单元的光学特性的步骤包括：通过施加电场对光束诱导普克尔斯效应；调谐空间光调制器；调谐超材料结构；诱导衍射光栅；以及修正光束的输出角。
在一个实施例中，检测光束的步骤包括：接收连接到节点的命令；检查发射功率是否高于阈值；计算相对于该节点的位置向量；基于位置向量计算空间不确定性函数；以及相对于空间不确定性调整光束发散。
在一个实施例中，调节光束发散的步骤包括覆盖不确定区域，使得θ＞α×σmax，其中θ包括施加的光束发散，α包括衍射受限的光束发散，并且σmax包括不确定因子。
在一个实施例中，选择所获取的激光束中的至少一束激光的步骤包括：识别多个信标信号；将从信标信号接收的信息与信息简档阵列进行比较；从多个信标信号中去除假目标；从多个信标信号中确定并且选择最佳信标信号；以及去除假目标后，将处理后的数据阵列发送给自适应学习检测算法。
在一个实施例中，该方法还包括通过自适应学习检测算法去除假目标。
在一个实施例中，该方法还包括通过自适应神经网络在子像素分辨率上提取信标的相对位置。
附图说明
通过以下仅作为示例的书面描述并且结合附图，本申请的实施例将更好理解并且对于本领域的普通技术人员是显而易见的，在附图中：
图1示出了根据示例性实施例的一种用于高速通信的系统100的框图。
图2示出了示出根据示例性实施例的一种用于高速通信的方法200的流程图。
图3示出了根据示例性实施例示出一种用于高速通信的瞄准、获取和跟踪系统中的各个实体之间的信息流的示意图300。
图4a示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的图3的瞄准模块中的各个实体之间的信息流的示意图400。
图4b示出了示出由图4a的瞄准模块执行的非机械微调的不同实施例的示意图。
图5示出了根据示例性实施例示出图3的获取模块的光纤光子耦合波导的示意图500。
图6示出了根据示例性实施例示出一种用于高速通信的激光信标系统的自适应信标光束发散的方法600的流程图。
图7示出了根据示例实施例示出一种用于高速通信的信标检测的方法700的流程图。
图8a示出了根据示例性实施例示出来自用于高速通信的多个节点的多个光束分集技术的示意图800。
图8b示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的多链路光束获取窗口输入的示意图850。
图9示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的多输入多输出信道评价系统的信标分集的方法900的流程图。
图10示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的基于自适应学习的获取、跟踪和子像素分辨率检测算法的方法1000的流程图。
图11示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的干涉测量获取系统中的各个实体之间的信息流的示意图1100。
图12示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的光子空间模拟系统的示意图1200。
图13示出了根据示例性实施例示出图12的光子空间模拟系统的激光通信模块的示意图1300。
图14示出了根据示例性实施例示出使用图1的系统100或图13的系统1300的激光数据或功率传输网络布局的示意图1400。
图15示出了根据示例性实施例示出在图1的激光通信系统100的使用期间估算大气损耗频谱的曲线图1500。
图16示出了用于实现图1所示的信号调节模块102、姿态检测和控制模块104以及自由空间光学模块106的模块的示例性计算设备1600。
具体实施方式
本申请的实施例公开了一种基于光学的装置，其可以允许节点的静态或动态系统在主动跟踪和保持对准的同时准确地找到、瞄准和对准彼此。本申请的实施例可以提供一种优化、有效的方法，该方法可以允许在尽可能少的时间内，在多个节点之间进行最大的能量和数据传输，同时考虑到多个节点本身会发生或在包含多个节点的介质中以及在它们之间会发生的随机波动或干扰，例如大气效应或多个节点本身的抖动。
本申请的实施例还可以公开如下：由具有非机械微调系统的多级光束转向机构组成的瞄准和光束转向系统；自由空间到光纤光子耦合波导；基于双向激光的可重构闭环信标反馈系统，其由a)自适应信标光束发散调节机构和b)利用光束空间、时间和频谱数据进行信标检测的方法组成；动态站点分集，其使用实时多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)光束检测和信道质量感测；基于深度学习的获取方法；跟踪和子像素分辨率检测算法；用于从信标信号中提取光束特征的干涉测量分析的方法；以及一体化空间与大气光子模拟试验台。
所要求保护的本申请的实施例可以应用于若干行业，例如航空航天、清洁和可持续技术；电子器件；工程与制造；信息通信技术；机械工程；矿业、油气工业；植物和农业产业；电信业；金融交易；以及国防工业。
图1示出了根据示例性实施例的一种用于高速通信的系统100的框图。系统100包括信号调节模块102、姿态检测和控制模块(attitude detection and control module，ADCS)104以及自由空间光学(free space optics，FSO)模块106。信号调节模块102可以包括激光光源(或如图中所示的数据108)，其与主动温度控制单元耦合，该主动温度控制单元配置成提供输出激光信号的热稳定性。输出激光束可以通过电光(Electro-Optic，EO)调制方案110来调制，EO调制方案110可以经由内置微波电路连接到多个数据接口单元(图中未示出)。EO调制方案110可以配置成优化功率效率，同时输出信号(或输出激光束)可以经由滤波单元112和最终放大单元114传送到自由空间光学(FSO)模块106以实现所需的输出功率。
当前卫星通常具有其自己的ADCS模块，但是大多数当前系统不能满足高吞吐量和低SWAP(Size Weight and Power consumption，尺寸重量和功耗)激光通信系统所需的严格要求。本申请的ADCS模块104可以包括能够实现该容量的专门开发的算法，即，一种高吞吐量且低SWAP的激光通信系统，如下所述。
ADCS模块104可以首先经由至少四个检测信号来检测卫星的精确姿态和位置。ADCS模块104可以包括内置高级惯性测量芯片(Inertial Measurement Chip，IMU)116。ADCS模块104可以配置成向航向跟踪单元提供初始数据以使卫星瞄准目标地面站。随后，ADCS模块104中的机载正交光电二极管和焦平面阵列118可以配置成从目标地面站接收激光引导信号。在另一个实施例中，ADCS模块104中的光信号检测器(例如相机芯片)还可以配置成接收来自目标地面站的激光引导信号。ADCS模块104的微调校正矢量可以配置成使用该数据来计算最终信号并且将其馈送到精细光束转向单元120。ADCS模块104还可以包括配置用于紧急命令和控制操作的备份低速射频(Radio Frequency，RF)信号122。或者，具有最大功率比组合的互补混合信号解决方案或其它形式的混合解决方案也可以配置用于紧急命令和控制操作。
本申请的实施例可以在系统100中包括多个算法，其可以包括但不限于：1)与自适应学习神经网络耦合的多个定制启发式中心编码算法，其可以配置成实现子像素分辨率。多个定制算法可以配置成在闭环激光自适应信标控制系统中提供反馈；2)使用多个软件和硬件自适应光学算法进行光束校正的方法；以及3)多种自适应定位和预测航向跟踪算法。
自由空间光学模块106可以配置成从信号调节模块102接收输出信号(或输出激光束)，并且可以配置成将输出信号传输到衍射受限的精确对准准直单元124中。准直光束可以被发送到光束补偿单元126，并且最终被发送到精细光束转向单元120，光束补偿单元126可以配置成使用通过ADCS模块104收集的信息来校正大气效应，精细光束转向单元120可以配置成从ADCS模块104接收多个数据校正向量。最终光束经校正的激光通信链路将从精细光束转向单元120被传输到多个地面站。自由空间光学模块106还可以配置成接收多个入射光束并且将它们经由自适应光学单元(图中未示出)传输到通信获取单元。
系统100还可以包括现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)128和多个现有天文台网络，使得可以用如上所述的基站设备来改进来自现有天文台网络的望远镜的光输出。这可能是有益的，因为(a)全球有大约十五个即时地面站网络可以提供完全覆盖；并且(b)在选择适当的地点、租借土地和建造新的望远镜时，浪费很少的时间、金钱和精力。
图2示出了根据示例性实施例的一种用于高速通信的方法200的流程图。在步骤202，该方法包括接收启动数据或功率传输的命令。在步骤204，该方法包括使用惯性测量单元、全球定位系统(global positioning system，GPS)和其它传感器来确定卫星位置。在步骤206，该方法包括从焦平面阵列系统接收更新的伙伴系统信标质心偏移数据。在步骤208，该方法包括使用多个宽视场(field-of-view，FOV)传感器启动对伙伴系统激光信标的第一获取。在步骤210，该方法包括引导粗校正云台系统在伙伴信标的一度视场(FOV)准确度内瞄准。在步骤212，该方法包括从焦平面阵列系统读取更新的伙伴系统中心质心集数据。在步骤214，该方法包括确定是否需要精细控制增量来准确地瞄准数据光束。在步骤216，该方法包括使用机械或非机械光束转向方法执行精细角度调整，该方法校正十分之一的光束宽度或更小或更大的步长。在步骤218，该方法包括重复上述步骤，直到焦平面阵列系统确定与数据光束的中心存在零偏差。换言之，如果焦平面阵列系统确定与中心存在非零偏差，则重复步骤204至216。在步骤220，该方法包括启动数据或功率传输光束以将编码数据载送至伙伴节点。在步骤222，该方法包括确定已经传输了所有数据或功率。
图3示出了根据示例性实施例示出一种用于高速通信的瞄准、获取和跟踪系统中的各个实体之间的信息流的示意图300。激光瞄准、获取和跟踪系统可以配置成在对其尺寸、重量和功率参数非常严格的要求内推导出姐妹节点的精确位置，从而可以在高动态热、振动和辐射环境内实现特定的瞄准和姿态检测准确度。如图所示，瞄准、获取和跟踪系统可以包括反馈传感器302、精细转向和超前瞄准模块(或跟踪模块)304、光电模块306、粗略瞄准和姿态检测模块(或瞄准模块)308、获取模块310和通信模块312。精细转向和超前瞄准模块(或跟踪模块)304可以包括具有微弧度准确度的校正矢量，而获取模块310可以包括焦平面阵列、正交雪崩光电二极管或其他形式的光传感器阵列。在可选实施例中，获取模块310还可以配置成获取和表征多个激光束，而精细转向和超前瞄准模块(或跟踪模块)304可以配置成跟踪所该多个激光束。焦平面阵列与正交雪崩光电二极管一起可以配置成在姿态检测期间在微调中辅助瞄准、获取和跟踪系统。
通信模块312还可以包括雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)、平衡APD或APD阵列，它们是通过施加反向偏压在高速和高增益下工作的高灵敏度光电二极管。这种APD广泛用于光学测距仪、空间光传输和闪烁探测器中。粗略瞄准和姿态检测模块(或瞄准模块)308可以包括惯性测量芯片(IMU)、地球/太阳跟踪器和rf/mm波信号以补充数据传输。
图4a示出了根据示例实施例示出用于高速通信的图3的瞄准模块中的各个实体之间的信息流的示意图400。瞄准模块可以是图3的跟踪模块304的一部分，并且可以配置成基于所获取的激光束将至少一束激光瞄准目标。或者，瞄准模块308可以是如图3所示的独立模块。瞄准模块308还可以包括多级光束转向单元，其中系统的每一级为光束转向机构提供特定范围和分辨率。多级光束转向单元还可以配置成基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。如图4a所示，瞄准模块包括三个调谐阶段。根据应用，可以应用更多或更少的调谐级阶段。在阶段1，使用阶段1驱动器对光束进行粗调，这是为了在宽范围上对准光束位置。在阶段2，通过压电微机电系统(Micro-Electro-Mechanical systems，MEMS)或其它机械/非机械光束操纵技术(例如空间光调制器或电光元件)用阶段2驱动器微调光束。在阶段3，应用超细调谐。阶段3的示例应用将用于出于跟踪目的提取关于光束的附加信息。例如，可以使用时间/空间修正器(temporal/spatial modifier)，该修正器使用(机械或非机械的)快速精细瞄准机构产生非常快地“旋转”光束的快速扫描光束，从而允许该系统从系统提取额外的空间时间数据并且将其用作激光束跟踪机制。如果需要，该部件也可以施加提前瞄准的角度。这也可以使用针对阶段2所提及的技术来实现。此额外数据可用于干涉式计算单元中以用于对系统进行的进一步智能和自适应决策。
更重要的是，光束在阶段3经历非机械微调。图4b示出了可以由图4a的瞄准模块执行的阶段3的非机械微调的不同实施例的示意图。非机械微调方法可以包括改变多级光束转向单元的一个或多个光学特性(例如折射率/介电常数)，以便基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。改变多级光束转向单元的一个或多个光学特性可以包括以下步骤：a)通过施加电场并且诱导普克尔斯效应(Pockels effect)的双折射晶体材料；b)调谐空间光调制器；c)采用周期性超材料结构，通过屏蔽电压对其进行调谐；d)使用声波和/或全息材料在晶体结构上诱导衍射光栅，以及e)通过修正声学致动器的频率来修正输出角度。非机械微调方法可以包括可以聚焦到集成光板上的准直光束，其可以减小所需的总的物理相互作用尺寸。这可以有利地允许在瞄准模块的设计中需要更少量的电压和能量，从而产生低功率的微调机构。所公开的不同机构可以是集成的，并且可以在光束中产生高速微弧度或纳米弧度的偏差。微调机构可以与内部反馈系统连接。输出功率可用作反馈信号，其可通过使输入信标沿光路径移动而被传送到微调控制器。微调控制器可以配置成使用通过获取模块的焦平面阵列或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)产生的多个信号来操纵微调系统以实现最大输入功率。输入功率可以用作神经网络算法中的反馈信号。
图5示出了根据示例实施例示出图3的获取模块310的光纤光子耦合波导(或机构)的示意图500。为了创建全硅集成解决方案并且降低总SWAP(Size Weight and Powerconsumption，尺寸、重量和功耗)参数，可将典型系统中的输入光束与基于光纤的单元连接。这需要将输入信号精确地聚焦到光纤波导的芯上。对于单个或甚至多模波导，光纤波导的芯通常比光探测器的表面小近一个数量级，从而强加给系统不必要的严格对准的要求。即使非常轻微的未对准也可能导致大部分聚焦能量与光纤芯未对准并且损失到周围环境中。结果，大多数目前的系统通过使光直接聚焦到光探测器的表面上来避免这种问题。这样的设计在几何形状、设计上限制了用于高速通信的系统，并且导致庞大的元件。
另一方面，光纤光子耦合波导(或机构)可以包括用作光子锥的独特的锥形光纤耦合器，并且可以有效地使输入光纤芯的有效表面尺寸数量级地增大。这种设计可以允许将光有效地耦合到光纤中，并且可以增强耦合机构的稳健性。独特的锥形光纤耦合器也可能对光束偏差不太敏感，并且可以配置成利用集成硅光子学解决方案。所要求保护的锥形光纤耦合器的结构可以通过优化反射和衍射特性的多层电介质/金属/石墨烯涂层使用锥形渐变折射率输入覆盖物创建。
在本申请的某些实施例中，双向激光信标系统可以配置成接收微调姿态信息。激光信标系统可以包括信标反馈和光束发散机构，其可以配置成控制和检测光束，从而允许每个节点以微小弧度精度获取它们相对于彼此的相关姿态。系统中的每个通信节点将发送信标信号，该信标信号可以使其能够向系统中的其它节点广播其唯一的标识符和位置。信标的物理波长选择在800-850纳米之间以最优化，并且可以提供具有最大CMOS灵敏度、最小背景辐射、最小大气损耗和高功率源的可用性的优点。信标可以具有可调节的光束发散，从而允许其调节接收节点的总照明尺寸。图6示出了根据示例性实施例示出一种用于高速通信的激光信标系统的自适应信标光束发散的方法600的流程图。在步骤602，系统接收连接到节点(例如节点X)的命令。在步骤604，系统确定发射功率是否满足阈值。如果确定满足阈值，则系统在步骤606发起数据传输。如果确定发射功率不满足阈值，则系统在步骤608计算相对于节点的位置矢量。在步骤610，系统计算空间不确定性函数。在步骤612，系统调节光束发散以覆盖不确定区域，使得θ＞α×σmax，其中θ表示施加的光束发散，α表示衍射受限的光束发散，并且σmax表示不确定因子。在步骤614，系统从另一节点接收反馈信标信号。
为了最大化信标的获取精度，信标信号可以用唯一标识符调制，从而允许获取系统在各种噪声、湍流以及快速和慢速移动背景信息中识别它。更具体而言，可以通过从所获取的激光束中提取特定信息来选择所获取的激光束中的至少一束激光。这可以通过使用光束的特定信息(例如光束空间、时间和光谱数据)进行光束检测来实现。图7示出了根据示例实施例示出一种用于高速通信的信标检测或选择所获取的激光束中的至少一束激光的方法700的流程图。在步骤702，该方法包括从焦平面阵列/互补金属氧化物半导体/电荷耦合器件/信标传感器接收信息。在步骤704，该方法包括识别所有潜在信标信号。在步骤706，该方法包括提取时间、空间和频谱标识符。在可选实施例中，该方法可以包括提取时间标识符、空间标识符和/或频谱标识符中的至少一个。在步骤708，该方法包括将信息与来自前一号码的简档的信标信息简档阵列进行比较。在步骤710，该方法包括识别和去除多个明确的假目标。在步骤712，该方法包括计算自适应背景时间/空间噪声函数。在步骤714，该方法包括预处理数据阵列。在步骤716，该方法包括去除多个明确的假目标后，将处理过的数据阵列传递到神经网络或自适应学习检测算法。在一个实施例中，如步骤710所述，自适应学习检测算法可以配置成去除多个明确的假目标。该方法还可以包括从多个信标信号中确定和选择最佳信标信号(图中未示出)。
在实施例中，图3的获取模块310可以配置成连续地从其周围节点接收多个信标信号。获取模块310可以考虑用于这些节点中的每一个之间的通信和光功率传输的总的信道质量，并且基于最高的可靠性和容量对它们进行优先级排序和分级，并且指导控制器使用该特定节点。获取模块310还可以基于所获取的激光束(或信标信号)的空间特性和/或时间特性进行优先级排序。如果信道的质量正在恶化，则获取模块310可以自动重新对评级系统进行优先级排序，从而允许控制器将链路切换到新的最高排名的信道。此外，该排序信息用于估算信道的信息/功率容量。图3的光电子模块306基于这一估计使用自适应编码和调制(MODCOD)来修正其传输速率，从而允许收发器经配置以最大化信道容量。这种机制还可以在毫秒内实现预测反馈链路获取，以允许在同一窗口中的多个节点之间以最小可能的停机时间进行自动切换和交接。在一个可选实施例中，图3的跟踪模块(或精细转向和超前瞄准模块)304可以包括位置分集单元，该位置分集单元配置成基于以下各项中的至少一项来选择所获取的激光束：光束的可靠性；光束的容量；光束的空间特性和/或光束的时间特性。
根据示例性实施例，图8a示出了示出来自用于高速通信的多个节点的多个光束分集技术的示意图800，而图8b示出了示出用于高速通信的多链路光束获取窗口输入的示意图850。如图8a所示，该技术可以包括在获取光束的多个节点中的多个获取单元(或模块)。激光引导星和幸运算法或其它自适应光学方法可以与空间分集技术结合以增强信号接收和传输。这可以包括优化光束相位前的时空剖面以确保该光束。有利地，这可以确保光束在聚焦时未受到破坏性干扰。此外，可以包括带通滤波器以滤除背景噪声。此外，使用平衡或非平衡雪崩光子探测器的超灵敏光子计数方法可用于检测光束上的数据。上述技术可以优化专门分集，使得光束获取可用性大于99.7％。还可以包括其他最大比率合并且技术，以通过感测每个收集信号的信噪比并且将它们以比率合并且进一步最大化功率分集效果，从而最大化最终的输出。最终接收功率可以以相干或非相干的方式合并且。这些技术可以有利地合并且多个光束路径，并且可以允许更小和更稳健的地面站。
图9示出了根据示例实施例示出用于高速通信的多输入多输出信道评价系统的信标分集的方法900的流程图。在步骤902，该方法包括从焦平面阵列、互补金属氧化物半导体传感器、电荷耦合器件和信标传感器中的至少一个接收信息。在步骤904，该方法包括提取信标位置、链路距离、功率损耗、湍流和/或数据优先级。在步骤906，该方法包括计算通信信道容量。在步骤908，该方法包括计算重新对准成本函数。在步骤910，该方法包括计算湍流风险因子。在步骤912，该方法包括计算信标优先级函数。在步骤914，该方法包括给多个通信信道重新分配优先级。在步骤916，该方法包括将多个信标优先级和位置数据传递给控制器。
在实施例中，包括基于自适应学习的获取、跟踪和子像素分辨率检测算法。多个计算机视觉算法可以使用启发式驱动方法执行HSV提取、滤波、斑点检测以及随后的霍夫(Hough)变换和目标检测。该方法可以实现统计准确度，使用自适应学习驱动方法，该统计准确度可以得到数量级的提高。诸如区域卷积神经网络(Regional Convolutional NeuralNetwork，R-CNN)或长短期存储网络(Long Short Term Memory network，LSTM)的快速递归自适应神经网络可以包括自适应学习检测算法，该自适应学习检测算法已经被训练用来在背景图像中提取，识别和跟踪唯一的光学签名，可以带来高水平的准确度、可靠性、可重复性和执行速度。自适应神经网络可以是自适应学习单元的一部分，并且当其使用增强式学习完全训练时，可以理解从焦平面阵列或类似的成像传感器阵列获得的帧图像内的一组相邻像素上的信标斑点的强度分布。强度的任何偏移允许自适应学习检测算法在子像素级分辨率上跟踪节点相对于信标的移动(或位置)。由自适应学习系统(或自适应学习单元)提供给控制器系统的上述信息允许节点的控制器系统计算校正向量并且提供控制信号以使父系统重新对准进入的信标。
图10示出了根据示例实施例示出用于高速通信的基于自适应学习的获取、跟踪和子像素分辨率检测算法的方法1000的流程图。在步骤1002，该方法包括接收命令以智能地获取信标、跟踪其出处及其相对运动。在步骤1004，该方法包括从包含聚焦信标光的焦平面阵列接收最新快照图像帧。在步骤1006，该方法包括运行快速递归神经网络(例如R-CNN或LTSM)从而以子像素分辨率提取信标的相对位置。在步骤1008，该方法包括获得信标相对于帧中周围物体的相对位置。在步骤1010，该方法包括将信标位置数据存储在信标信息阵列中。在步骤1012，该方法包括将信标信息阵列传递到瞄准和重新对准控制器。在步骤1014，该方法包括通过控制器计算控制系统的航向校正向量。在步骤1016，该方法包括通过控制器重新对准自由空间光学系统。
在实施例中，用于高速通信的系统可以包括干涉分析，以用于从信标信号提取光束特征。当输入信标信号被直接瞄准到焦平面阵列(focal plane array，FPA)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)感测阵列上时，其仅揭示关于信标信号的相位前的振幅分布的信息。为了在信标光束上提取更准确的信息(或特定信息)，例如光束前上的相位分布、光束发散角、偏振、相对输入角、频谱偏移和多普勒信息，在光束路径中放置干涉测量和计算系统，其系统地将信标及其反射一起干涉到FPA/CMOS信标传感器上。干涉测量和计算系统可以是图3的采集模块的激光束表征单元的一部分，并且可以从信标提取特定信息，诸如与幅度以及相位相关的信息。该信息被馈送到图像处理算法中，该图像处理算法提取光点尺寸、干涉面积、条纹角度以及条纹深度和最小值之间的距离，并且使用它们来计算光束的相关特性。可使用各种形式的光学组件来应用此干涉测量方法以产生特定相位干涉图案，例如，混合具有不同焦距的光，将光聚焦到多焦点(类似于微透镜阵列)或更多定制的光学修正器中。实现这些图案的光学元件可以是能够实时改变图案的液晶阵列或空间光调制器。
图11示出了根据实例实施例示出用于高速通信的干涉式获取系统中的各个实体之间的信息流的示意图1100。如图所示，干涉式获取/传输系统可包括反馈传感器1102、精细转向和超前瞄准模块1104、光电模块1106、干涉测量模块1108、信标探测器1110和通信模块1112。精细操纵和超前瞄准模块1104可以包括具有微弧度准确度的校正向量，而通信模块1112还可以包括雪崩光电二极管(APD)，该雪崩光电二极管是通过施加反向偏置在高速和高增益下工作的高灵敏度光电二极管。这种APD广泛用于光学测距仪、空间光透射和闪烁探测器中。信标探测器1110可以包括诸如FPA/CMOS传感器的成像阵列，使得可以像在图像/视频中那样获取光束特性。这种光束特性的图像的例子在图中显示为栅格。在栅格中，“a”表示光束尺寸，“b”表示光束重叠，“c”表示条纹峰值距离，“d”表示条纹最小距离，“e”表示条纹角度。以上描述示出了可以从捕获图像/视频中提取的示例组件。干涉测量单元1108可以以与自适应光学单元类似的功能应用于进入的光束和离开的光束两者，确保对于通过大气环境的传输，发送和接收功率都被优化。干涉测量单元1108可使用空间光调制器或液晶阵列或可修正光束轮廓的其它形式的有源或无源光学元件来实施。
在实施例中，用于高速通信的系统可包括一体化空间与大气光子模拟试验台，其可以在单个测试单元中完全模拟来自地面站、大气和空间环境的影响。图12示出了根据示例性实施例示出用于高速通信的光子空间模拟系统的示意图1200。光子模拟系统可包括地面站、大气效应单元、空间效应单元、光学台和总线。总线可以与热控制单元、压力控制单元以及计算和显示单元(如图中所示的PC)连接。空间效应单元可以包括激光通信模块以及与总线连接的振动服务器单元。大气效应单元可包括具有各种相位轮廓的旋转透镜组，可变衰减器和/或雨/雾/雪模拟器，而地面站可包括激光收发器和纳米致动器以模拟地面站单元。
图13示出了示出单基地激光通信模块的示意图1300。这可以用于根据示例性实施例的图12的光子空间模拟系统中，或任何其它激光通信设备中。该模块可以包括发射器和接收器、信标探测器、激光单元和/或激光二极管。该模块还可以包括各种透镜、反射镜和二向色镜的光学链，允许双轴(θx和θy)控制光束以及光束轮廓中的其它更高阶波动的至少一个可调光学元件，具有波长a的至少一个长通二向色镜，具有预定波长(例如650-800纳米)的至少一个长通二向色镜，具有预定波长(例如650纳米)和涂层(例如850纳米)的至少一个分光器，以及与信标探测器连接的至少一个带通滤波器。发射器或接收器一端可与固定平凸透镜连接，该平凸透镜具有预定焦距(例如50毫米)且具有涂层(例如1310纳米至1550纳米)。固定平凸透镜另一端可与具有λ1波长的至少一个长通二向色镜连接。激光二极管可以与标准或平面透镜系统连接，并且另一端与具有λ2至λ3波长的至少一个长通二向色镜连接。带通滤波器在一端为信标检测器、另一端为分光器的光路径中。
图13的激光通信模块的工作如下所述。光束由激光源产生并且通过可调透镜系统传递。然后，它通过光学链并且与所有其它光束合并且对准，并且存在最终的输入/输出孔径。同时，该系统可以包括可见激光单元，该可见激光单元产生可见激光束，该可见激光束也穿过该光学链并且与这些光束整合。与传输(Tx)光束和信标激光束合并且的此光束都通过相同的光路径，尽管其像单孔径一样离开设备。相同的孔径用于在单元内输入多个光束。一旦接收到光束，它可以通过分光器和/或二向色镜，并且根据其波长、到达角或功率参数分成两个或两个以上的光束。其中一部分的分离光束可经由带通滤波器被信标探测器接收。另一部分的分离光束被λ1波长的长通二向色镜接收并且到达接收器(Rx)。所有输入和输出光束在光路径内被整合和对准，并且通过单个孔径。可调谐反射镜和光学系统可以均匀地调节所有入射和射出的光束。
图14示出了根据示例性实施例示出使用图1的系统100或图13的单基地激光通信模块1300的激光数据或功率传输网络布局的示意图1400。激光数据或功率传输网络图显示了地面-空气-海洋-空间数据网络中的基于激光的系统。激光数据或功率传输网络可以包括卫星星座网络，该卫星星座网络可以创建卫星星座，卫星星座使用非常准确的激光将各种轨道之中的卫星之间的双向数据传输到地面站、飞行器、船舶、移动的车辆或外部空间。卫星星座网络还可以使用移动气球或无人机的网络提供对远程区域的因特网访问，该移动气球或无人机彼此连接以交换信息或在它们之间传输数据且将数据传输到地面。卫星星座网络还可以提供地面通信节点的网络，该地面通信节点与无人机协同工作以提供用于数据中心、金融机构、岛屿、海上平台、货船和巡航船的点对点通信的网状网络。这种网络的潜在应用可以是实现基于近地轨道纳米卫星的空间数据网络。这些卫星将使用激光通信链路彼此通信并且也与地面站通信。
使用图1的系统100和图13的单基地激光通信模块1300，也可以存在多个地面链路。多个地面链路可以提供每秒1至超过1000千兆比特(Gbps)的地面级激光通信链路的开发，并且可以经设计和优化以在某一地区(例如新加坡)的大气天气条件内工作。这可能导致具有必要的知识来实现能够将1000Gbps的数字数据编码到激光载波上的基本收发单元。它还可以提供关于以下的特定技术知识：微波电路设计，其经优化用于稳定且有效地切换分布式反馈激光器；有效的接近衍射极限的自由空间光学对准技术，其用于将激光外耦合到大气内和内耦合到低噪声雪崩光电二极管内，以及在接收端的低噪声放大器系统，用于将检测到的信号放大至少20dB。此外，基本的到达角检测算法可以导致激光束到达角的准确度接近0.001度(0.001-degree)，以及一种高精度和可重复的跟踪算法，其可以检测该范围内的微小振动并且重新对准系统以实现最大稳定性。
在本申请的实施例中，激光通信系统100可以在使用期间提供以下示例参数：高达1或更多Tbps(每秒太比特)的数据传输速率；小于1微弧度的姿态检测精密度和准确度；小于1微弧度的激光束转向瞄准能力精密度和准确度；在2千赫兹(kHz)或更高的范围内能够校正随机波动的主动光束转向抖动校正；在-40摄氏度至80摄氏度或更高温度下的热稳定操作；在以下天气条件下保持链路连通性和3dB以上的余量：湿度高达100％；可见度小于1千米的雾度；直射入孔径的太阳光；每小时250毫米或更大的降雨；以及在-40摄氏度至80摄氏度或更高温度之间摆动的温度。
外部空间处的极端SWaP(尺寸，重量，功率)限制可以迫使激光通信系统在衍射受限光束下理想地操作。这可能要求卫星系统能够在大约1微弧度或更好的精密度和准确度内准确地检测其相对于相关的地面站的姿态。结果，可能需要卫星系统在微弧度准确度内准确地瞄准和主动转向光束。此外，考虑到近地轨道中的卫星(Low Earth Orbit，LEO卫星)以极高的速度恒定地绕地球轨道运行的事实，准确地瞄准和转向光束可能更加具有挑战性。这导致卫星上的特定振动轮廓，该特定振动轮廓取决于其结构特性并且可以具有1-2kHz高的频谱。此外，LEO卫星可能在每个轨道上都经历极端的热和辐射变化。本申请中公开的激光通信系统能够在对其SWaP参数非常严格的要求内在相关的精确位置处主动地转向激光通信链路，并且在高动态的热、振动和辐射环境内实现特定的瞄准和姿态检测(Pointing and Attitude Detection，PAT)准确度。所公开的系统可以在如上所述的参数内满足对所模拟的地面上的室内环境的上述基本要求。
此外，本申请的用于高速通信的系统可以将卫星-地面链路中的大气效应考虑在内。云、降雨、温度梯度(大气闪烁)，湿度和雾度等都引起激光束在大气传播中的随机湍流和波动。这可能导致在通信链路中链路预算估计的主要变化，并且在设计通信系统时需要仔细考虑。所公开的系统可以量化在受控室内环境下这些变化的参数，并且可以提供能够补偿这些效应的通信链路以维持其操作所需的链路空间。
本申请的用于高速通信的系统已设计成考虑空间操作技术要求。任何从空间操作的工程单元都将具有施加于其上的特定的技术限制。由这种环境引起的主要技术考虑包括热稳定性。LEO轨道中的卫星模块将大约每90分钟恒定地绕地球运行一圈。在该绕轨道运行的不同时间期间，考虑到它从太阳接收的辐射量，它将经受极其不同的热条件。这些热条件可以以各种方式影响系统：a)激光波长失谐：激光模块可能对温度高度敏感，使得热稳定性非常重要b)透镜和自由空间光学器件对准：考虑自由空间光学单元的衍射受限操作，即使轻微的温度变化可会显著影响模块的对准c)传感器操作：精细操纵微机械和压电单元性能可能受到温度变化的强烈影响d)传感器噪声电平：雪崩光电二极管和焦平面阵列的传感系统中的噪声电平。
第二个技术考虑是振动、抖动和冲击测试。在发射阶段，卫星和机载模块将受到极大的冲击和振动。为了使单元能够在发射阶段能够幸存，必须遵循一定的工程协议来保证其安全到达轨道。此外，当在空间轨道运行时，LEO轨道中的卫星根据其结构设计和质量分布将遵循特定的振动模式。这些振动模式必须使用激光模块自对准机构来补偿。第三个技术考虑是辐射硬化：模块的部件在操作期间将接收极端量的辐射。因此，模块组件设计成具有至少3至5年抵抗这种苛刻辐射环境的有效寿命。
此外，所公开的用于高速通信的系统是在考虑各种管辖区域中的规定的情况下设计的。这是因为高功率激光束在自由空间中的操作以及它们的技术受到不同管辖区域中的各种法律和条例的管制。在本申请的设计中已经考虑了以下条例：所考虑的第一条例是激光安全条例(Laser Safety regulation)。这一条例涉及眼睛安全的要求。最大眼功率发射的一般准则是小于0.1瓦特/cm2。所考虑的第二条例是组件选择约束。与空间和卫星通信链路有关的技术属于国际武器运输条例的范围。该系统可以基于纯粹的非ITAR(International Traffic in Arms Regulations，国际武器运输条例)组件以避免这样的限制。所考虑的第二条例是航空条例。为了航空运输的安全以及为了避免高功率激光对飞机和飞行员导航可能的影响，某些管辖区域出于航空安全目的已经对自由空间中或特定航空运输路线中的激光传播指定了限制，这些限制在所要求保护的本申请中予以考虑。针对频谱许可和航线眼睛安全可能还需要频谱许可，例如具有在系统所需的辐射特性内操作的试用许可。
所公开的用于高速通信的激光通信系统100也设计有辐射链路预算计算。对于任何通信链路，可通过考虑将使用的各种形式的通信信道来估计总的可实现效率。例如，在清晰和高度雾化的条件下，可以为预想的通信系统提供基本链路预算计算。基于估计的计算，即使在最坏的情况下，本申请实施例中公开的自由空间光学信道也可以中继超过10Gbps的数据。通过使用更灵敏的光计数传感器，更大的接收器孔径或者朝衍射受限性能推进光学器件，可以极大地增加这些值。
图15示出了根据示例性实施例示出在图1的激光通信系统100的使用期间估算大气损耗频谱的曲线图1500。大气损耗主要关注尤其是在一天的不同时间期间雾和湿气的高敏感性。为了将这些影响考虑在内，本申请已考虑计算热带城市环境中的总的大气损耗。在可见度变为大约1km或更小的极端情况下，仍然可能存在总损耗小于10dB的通信频段。使用本申请的准确模型计算大气损耗的准确数值模型。这些值是针对热带气候中的天气参数(例如新加坡)而计算。
目前，有两种主要的替代方法来解决卫星应用中更高带宽的问题：1)射频：转移到Ka频段和2)激光：近地轨道至地球静止轨道(GEO)的中继卫星。对于转移到Ka频段的第一种方法，可以使用朝更高微波频率的增量改进。由于当前这些区域中的大多数频谱已经被分配并且不能处理当前的数据需要，所以大多数通信公司已经决定将它们的通信转移到Ka频段。这种方法的最佳例子是Ka频段高通量卫星(HTS)。例如，在现有技术中，以50个以上的独立Ka频段转发器为倍数的HTS已经安装在GEO卫星上，通常总成本为大约5亿美元。射频(RF)技术具有有限的带宽并且将很快变得拥塞。因此，Ka频段正受到高度管制，并且带宽正被很快地分配。Ka频段对水蒸气敏感，并且对传输的每一比特不会提供高能量效率。现有技术的Ka频段的成本大约接近五亿美元。这种系统通过更多倍数的Ka频段转发器提供总数据速率。它们通常也重达几吨并且消耗千瓦(kW)级的能量。这些解决方案可以为每个用户提供接近10Mbps速度的宽带TV或因特网链路，但是不能解决对诸如地球观测、导航、高带宽以及尤其是低等待时间网络的其它应用的需要。
第二种方法是具有激光：近地轨道到地球静止轨道(GEO)的中继卫星来解决带宽问题已是在各种空间机构中联合任务所采取的方法。例如，已经建立了激光通信终端(Laser Communication Terminal，LCT)，其需要安装到LEO卫星上。一旦该卫星处于轨道中，它将通过激光束将其数据发送到GEO卫星。GEO卫星将使用RF链路将信息中继回地面。即使在这种方法中使用了激光解决方案，它也根本上受到通过RF链路到地球的最终连接的限制。结果，RF链路是系统的主要瓶颈，并且它将具有第一种方法的所有缺点。此外，该系统中的LCT模块通常重达50kg以上，并且体积巨大，使得对于作为当前空间市场中的主要驱动器的纳米卫星是不切实际的。这些中继卫星通常可以提供每秒1-2Gbit的下行链路，并且可能花费数亿美元。
与传输的数据量、卫星的总成本、频谱许可、链路延迟和方法的可扩展性相比，考虑卫星的SWaP(尺寸、重量、功率)，本申请的实施例可以提供上述两种方法的解决方案。本申请提供基于激光的通信链路，以将信息中继回地球。本申请的系统可以与纳米卫星的SWaP参数完全兼容，并且可以允许通过它们的极端的可扩展性。此外，本申请的系统被设计成从LEO轨道运行，其可以允许极低的等待时间，比当前光纤可用的等待时间更快(低至最佳当前光纤等待时间的三分之一)。本申请的系统还可以实现使用先前方法不可能实现的新范围的应用，诸如低等待时间网络、全球连续(每周7天24小时)实时监视和用于实时飞行数据传输的有成本效益的高带宽。
如上所述，本申请的系统可以提供一种瞄准准确度和光束形成的方法。这可以通过使用独特的3步闭环反馈系统来实现，以实现穿过LEO卫星以及在LEO卫星和地面之间准确地发送数据所需的个位数的微弧度瞄准准确度和光束形成。在可选实施例中，根据应用类型，系统可以多于或少于3个步骤。该系统可以提供具有较低价格点的优点并且还可以一直保持超前于曲线。此外，所本申请的系统可以提供观测站网络用于地面站服务(Ground-Station-as-a-Service)。这可以通过利用全世界现有的天文台网络，通过将本申请的基站设备改进为现有天文台的望远镜的光输出来实现。这可以允许在短时间内快速引入新的地面站，并且还减少所花费的时间、金钱和努力，从而在长期运行中显著地提高防御性。
因此，本申请的系统可以提供以下优点：具有用于移动和远程平台的更多的带宽、高带宽，利用硅光子工业的成熟和成本的降低迎合光纤市场，促进纳米卫星技术的增长以及利用更低的纳米卫星发射成本和频率。
本申请的系统还可以提供使用制造可扩展性来实现低成本的制造，该制造可扩展性覆盖具有不同级别的可扩展性的以下子系统：本申请的光电子系统将基于硅光子组件、集成激光器和光学器件以及高速电子器件。所有这些组件可以具有高度成熟和规模化的制造工艺；本申请的自由空间光学部件需要精密的机械设计和对准。衍射受限光学器件的制造工艺由许多公司商业提供。然而，对准过程需要在半自动测试设备中完成。本申请的瞄准、获取和跟踪系统可以利用集成到CMOS工艺中的微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS)技术的进步，其已允许非常精确的高性能传感器，使得能够在惯性测量单元中进行各种参数的非常准确的测量。可以使用业内接受的相同的可扩展工艺定制特定的一组核心组件。
本申请的卫星技术可以使用已经变得广泛且成本降低的纳米卫星技术。纳米卫星标准目前被接受，并且许多私人公司提供它们自己的开源技术开发工具包和卫星总线信息。本申请的实施例可以利用纳米卫星和微卫星技术作为激光终端的航天器。本申请的所有设计参数都可以符合纳米卫星的要求。
本申请的实施例可以提供一种用于卫星通信的即插即用解决方案，其使用激光来实现高达每秒1兆比特(Tbits/sec)的数据传输速率。这种能力可以提供连接解决方案用于但不限于：航天器对卫星/地面站；卫星对卫星；卫星对地面站；卫星对飞行器；高空飞行器；卫星对海洋；地对地；地面对飞行器和高空飞行器；地面对海洋；飞行器和高空飞行器对飞行器和高空飞行器；飞行器和高空飞行器对海洋；以及海对海。它还可以提供具有高带宽、低功率、小尺寸、可立即部署、抗干扰、安全和长距离通信系统的优点。与激光通信模块协力工作的地面观测站网络能够向卫星提供连续的实时上行链路和下行链路。本公开还可以使用微弧度瞄准准确度、地面站优化、光束分集和自适应光学器件来维持穿过太空和地球大气的高可靠性网络。此外，本申请的实施例还可以提供低成本的开发；聚焦于纳米卫星近地轨道(Nanosat LEO)使用的瞄准、获取和跟踪(PAT)技术；非国际武器贸易条例(non-ITAR)和聚焦地面站网络以防止开始时传输数据的瓶颈。
本申请的其它优点可以包括更高的效率，新的新颖方法，更少的延迟，更低的等待时间，更多的数据，更少的能量需求，更小的装置，更高的带宽，更少的机械部件和更快的连接性。本申请可用于在两个或两个以上的节点内需要视线跟踪和对准的任何情况。这可用于多种商业行业中，包括航空航天、电信、卫星服务、军事和防御、低等待时间的金融服务等。
进一步的优点还可以包括：更少的机械；小的尺寸、重量和功耗(SWAP)；微弧度准确度；由于具有后退机制的闭合
双向反馈查找而极具可靠性；智能算法，其依赖于学习而不完全依赖于启发式；空间分集。
以下描述的一些部分明确地或隐含地呈现关于对计算机存储器内的数据的操作的算法和功能或符号表示。这些算法描述和功能或符号表示是数据处理领域的技术人员用来向本领域的其他技术人员最有效地传达其工作实质的手段。这里的算法通常被认为是导致期望结果的自洽序列的步骤。这些步骤是那些需要物理操纵一定物理量的步骤，例如能够被存储、传送、组合、比较和以其它方式操纵的电，磁或光信号。
除非另外具体说明，并且如下显而易见，应当理解，在整个本说明书中，利用诸如“扫描”、“计算”、“确定”、“替换”，“生成”，“初始化”，“输出”等术语的讨论涉及计算机系统或类似电子设备的动作和过程，其将计算机系统内表示为物理量的数据操作并且转换为类似地表示为计算机系统或其它信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
本说明书还公开了用于执行所述方法的操作的装置。这种装置可以为所需目的而专门构造，或者可以包括通用计算机或由存储在计算机中的计算机程序选择性激活或重新配置的其它设备。这里给出的算法和显示并且不固有地涉及任何特定计算机或其它装置。各种通用机器可以与本文教导的程序一起使用。可替换地，也可以构造更专用的装置以执行所需的方法步骤。常规通用计算机的结构将从下面的描述中可见。
此外，本说明书还隐含公开了一种计算机程序，其中，对本领域技术人员来说显而易见的是，本文描述的方法的各个步骤可以通过计算机代码来实现。计算机程序不限于任何特定的编程语言及其实现。应了解，可使用各种编程语言及其编码来实现本文所包含的本公开的教示。此外，计算机程序并且不限于任何特定的控制流。存在计算机程序的许多其它变体，其可以使用不同的控制流而不背离本申请的精神或范围。
此外，计算机程序的一个或多个步骤可以并且行执行而不是按顺序执行。这种计算机程序可以存储在任何计算机可读介质上。计算机可读介质可以包括存储设备，例如磁盘或光盘、存储芯片或适于与通用计算机接口的其它存储设备。计算机可读介质还可以包括诸如在因特网系统中列举的硬连线介质，或者诸如在GSM移动电话系统中列举的无线介质。当在这样的通用计算机上加载和执行计算机程序时，该计算机程序有效地导致实现优选方法的步骤的装置。
图16示出了用于实现图1所示的信号调节模块102、姿态检测和控制模块104以及自由空间光学模块106的模块的示例性计算设备1600。以下对计算设备1600的描述仅是示例性的，而不是限制性的。
如图16所示，示例计算设备1600包括用于执行软件程序的处理器1604。尽管为了清楚起见示出了单个处理器，但是计算设备1600还可以包括多处理器系统。处理器1604连接到通信基础设施1606用于与计算设备1600的其它组件通信。通信基础设施1606可以包括例如通信总线、交叉开关矩阵(cross-bar)或网络。
计算设备1600还包括主存储器1608(例如随机存取存储器(random accessmemory，RAM))和辅助存储器1610。辅助存储器1610可以包括例如硬盘驱动器1612和/或可移动存储驱动器1614，其可以包括软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移动存储驱动器1614以众所周知的方式从可移动存储单元1618读取和/或向其写入。可移动存储单元1618可以包括软盘、磁带、光盘等，其由可移动存储驱动器1614读取和写入。相关领域的技术人员应明白，可移动存储单元1618包括计算机可读存储介质，其中存储有计算机可执行程序代码指令和/或数据。
在替代的实现方案中，辅助存储器1610可以附加地或替代地包括允许计算机程序或其它指令被加载到计算设备1600中的其它类似装置。这种装置可以包括例如可移动存储单元1622和接口1620。可移动存储单元1622和接口1620的示例包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(诸如在视频游戏控制台设备中所用)，可移动存储芯片(诸如EPROM或PROM)和相关联的插槽，以及其它可移动存储单元1622和允许软件和数据从可移动存储单元1622传送到计算机系统1600的接口1620。
计算设备1600还包括至少一个通信接口1624。通信接口1624允许软件和数据经由通信路径1626在计算设备1600和外部设备之间传送。在本申请的各种实施例中，通信接口1624允许在计算设备1600与数据通信网络(例如公共数据或专用数据通信网络)之间传送数据。通信接口1624可用于在不同的计算设备1600之间交换数据，这些计算设备1600形成互连计算机网络的一部分。通信接口1624的示例可以包括调制解调器、网络接口(诸如以太网卡)、通信端口，具有相关电路的天线等。通信接口1624可以是有线或无线的。经由通信接口1624传送的软件和数据是能够由通信接口1624接收的信号的形式，这些信号可以是电子信号、电磁信号、光学信号或其他信号。这些信号经由通信路径1626提供给通信接口。
如图16所示，计算设备1600还包括显示接口1602和音频接口1632，显示接口1602执行将图像呈现给相关联的显示器1630的操作，音频接口1632执行经由相关联的扬声器1634播放音频内容的操作。
本文中所用术语“计算机程序产品”可以部分地指代可移动存储单元1618、可移动存储单元1622、安装在硬盘驱动器1612中的硬盘、或通过通信路径1626(无线链路或电缆)将软件载送至通信接口1624的载波。计算机可读存储介质是指将所记录的指令和/或数据提供给计算设备1600以供执行和/或处理的任何非瞬时有形存储介质。这样的存储介质的示例包括软盘、磁带、CD-ROM、DVD、Blu-rayTM盘、硬盘驱动器，ROM或集成电路，USB存储器，磁光盘或诸如PCMCIA卡等的计算机可读卡，而不论这样的设备是在计算设备1600的内部还是外部。也可参与到向计算设备1600提供软件、应用程序、指令和/或数据的瞬时或非有形计算机可读传输介质的示例包括无线电或红外传输信道以及至另一计算机或联网设备的网络连接，以及包括电子邮件传输和网站上记录的信息等的因特网或内联网。
计算机程序(也称为计算机程序代码)存储在主存储器1608和/或辅助存储器1610中。也可以通过通信接口1624接收计算机程序。这样的计算机程序在被执行时使得计算设备1600能够执行本文讨论的实施例的一个或多个特征。在各种实施例中，计算机程序在被执行时使处理器1604能够执行上述实施例的特征。因此，这样计算机程序代表计算机系统1600的控制器。
软件可存储在计算机程序产品中并且使用可移动存储驱动器1614、硬盘驱动器1612或接口1620加载到计算设备1600中。或者，计算机程序产品可通过通信路径1626下载到计算机系统1600。软件在由处理器1604执行时使得计算装置1600执行本文所描述的实施例的功能。
应当理解，图16的实施例仅以示例的方式给出。因此，在一些实施例中，可以省略计算设备1600的一个或多个特征。此外，在一些实施例中，计算设备1600的一个或多个特征可以组合在一起。另外，在一些实施例中，计算设备1600的一个或多个特征可被分成一个或多个组件部分。
应当理解，图16所示的元件用于提供用于执行上述实施例中所述的服务器的各种功能和操作的手段。
在一种实现方式中，服务器通常可以描述为包括至少一个处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器的物理设备。该至少一个存储器和计算机程序代码经配置以与至少一个处理器一起致使物理设备执行必要操作。
本领域技术人员应当理解，在不脱离广泛描述的本申请的精神或范围的情况下，可以对具体实施例中所示的本申请进行多种变化和/或修正。因此，本实施例在所有方面都应认为是说明性的而非限制性的。

Claims (28)

1.一种基于激光的通信系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，其配置成获取并且表征多个激光束；
跟踪模块，其配置成跟踪所获取的激光束，所述跟踪模块包括：
信标反馈和光束发散机构，其配置成控制光束并且检测光束；
自适应学习单元，其配置成实施自适应学习检测算法以识别和跟踪来自所获取的激光束中的至少一束激光的唯一光学签名；以及
瞄准模块，其配置成基于所获取的激光束将至少一束激光束瞄准目标。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述获取模块包括：
光纤耦合机构，其用于将所获取的激光束耦合到光纤系统；以及
激光束表征单元，其配置成从所获取的激光束中的至少一束激光提取特定信息。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述跟踪模块包括位置分集单元，所述位置分集单元配置成基于以下各项中的至少一项来选择所获取的激光束中的至少一束激光：所述光束的可靠性、所述光束的容量、所述光束的空间特性和/或所述光束的时间特性。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激光束表征单元包括干涉测量和计算系统，其配置成提取所述特定信息。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述特定信息包括时间标识符、空间标识符和/或频谱标识符中的至少一个。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光纤耦合机构包括锥形光纤耦合器，其配置成增大纤芯的表面尺寸。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述瞄准模块包括多级光束转向单元，其配置成基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多级光束转向单元配置成改变其一个或多个光学特性，以便基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，改变所述多级光束转向单元的光学特性包括以下步骤中的一个或多个：
通过施加电场对所述光束诱导普克尔斯效应；
调谐空间光调制器；
调谐超材料结构；
诱导衍射光栅；以及
修正所述光束的输出角。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信标反馈和光束发散机构配置成不以特定顺序执行以下步骤来检测所述光束：
接收连接到节点的命令；
检查发射功率是否高于阈值；
计算相对于所述节点的位置向量；
基于所述位置向量计算空间不确定性函数；以及
相对于空间不确定性调整光束发散。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，调节所述光束发散包括覆盖不确定性区域，使得θ＞α×σmax，其中θ包括施加的光束发散，α包括衍射受限的光束发散，并且σmax包括不确定因子。
12.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，选择所获取的激光束中的至少一束激光包括不以特定顺序的以下步骤：
识别多个信标信号；
将从所述信标信号接收的信息与信息简档阵列进行比较；
从所述多个信标信号中去除假目标；
从所述多个信标信号中确定并且选择最佳信标信号；以及
去除所述假目标后，将处理后的数据阵列发送给所述自适应学习检测算法。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述自适应学习检测算法还配置成去除所述假目标。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自适应学习单元包括自适应神经网络，其配置成在子像素分辨率上提取信标的相对位置。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述诱导所述衍射光栅的步骤由声波和/或全息材料中的至少一种所引起。
16.一种基于激光系统的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
通过获取模块获取并且表征多个激光束；
通过跟踪模块跟踪所获取的激光束；
通过信标反馈和光束发散机构控制光束并且检测光束；
通过自适应学习单元实施自适应学习检测算法，以识别和跟踪来自所获取的激光束中的至少一束激光的唯一光学签名；以及
通过瞄准模块基于所获取的激光束将至少一束激光瞄准目标。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过光纤耦合机构将获取的激光束耦合到光纤系统；以及
通过激光束表征单元从所获取的激光束中的至少一束激光提取特定信息。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过位置分集单元基于以下各项中的至少一项来选择所获取的激光束中的至少一束激光：所述光束的可靠性、所述光束的容量、所述光束的空间特性和/或所述光束的时间特性。
19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述方法还包括通过干涉测量和计算系统提取所述特定信息。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过锥形光纤耦合器增大纤芯的表面尺寸。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过多级光束转向单元基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括改变所述多级光束转向单元的一个或多个光学特性，以便基于所获取的激光束将至少一束激光转向目标。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述改变所述多级光束转向单元的所述光学特性的步骤包括：
通过施加电场对所述光束诱导普克尔斯效应；
调谐空间光调制器；
调谐超材料结构；
诱导衍射光栅；以及
修正所述光束的输出角。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述检测所述光束的步骤包括：
接收连接节点的命令；
检查发射功率是否高于阈值；
计算相对于所述节点的位置向量；
基于所述位置向量计算空间不确定性函数；以及
相对于空间不确定性调整光束发散。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述调节所述光束发散的步骤包括覆盖不确定区域，使得θ＞α×σmax，其中θ包括施加的光束发散，α包括衍射受限的光束发散，并且σmax包括不确定因子。
26.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述选择所获取的激光束中的至少一束激光的步骤包括：
识别多个信标信号；
将从所述信标信号接收的信息与信息简档阵列进行比较；
从所述多个信标信号中去除假目标；
从所述多个信标信号中确定并且选择最佳信标信号；以及
去除所述假目标后，将处理后的数据阵列发送给所述自适应学习检测算法。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过所述自适应学习检测算法去除所述假目标。
28.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过自适应神经网络在子像素分辨率上提取信标的相对位置。
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